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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese
Patentanmeldung beansprucht den Vorteil einer vorläufigen Patentanmeldung
unter dem Aktenzeichen 60/780,529, eingereicht am 8. März 2006
unter dem Titel „Method
for Pump Protection Without the Use of Traditional Sensors" (911-2.22-1/05GI002) und bezieht
sich auch auf die vorläufige
Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 60/780,546, eingereicht am
8. März
2006 unter dem Titel „Method
for Determining Pump Flow Without Traditional Sensors" (911-2.24-1/05GI003).
Diese beiden vorläufigen
Patentanmeldungen werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier
einbezogen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Pumpensystem mit einer
Pumpe einschließlich einer
Kreiselpumpe, genauer auf ein Verfahren und Vorrichtungen für den Pumpenschutz
ohne den Einsatz traditioneller Sensoren.
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2.
Kurze Beschreibung der verwandten Technik
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Sonstige ähnliche
Geräte
und ihre Nachteile sind wie folgt:
US 7,080,508 legt ein Verfahren und
Vorrichtungen für
den drehmomentgeregelten Pumpenschutz mit Ausgleich des mechanischen
Verlustes offen, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird und
das eine Steuerlogik vorsieht, die unter Verwendung des Rückführsignals
von Drehmoment (oder Leistung) und Drehzahl unerwünschte Betriebsbedingungen erkennt
und die geeignete Reaktion im Betrieb herbeiführt, um den angetriebenen Ausrüstungsgegenstand
(Kreiselpumpe) vor Schaden zu schützen. Die Logik kann in einen
drehzahlveränderbaren
Antrieb oder eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) eingebettet
werden. Dieses Verfahren kann jedoch auf Pumpen beschränkt werden,
deren Leistungskurven von einem Zustand mit geschlossenem Ventil
an konstant steigen. Diese Pumpen haben meist eine spezifische Drehzahl
von 2000 und darunter. Um die Genauigkeit über einen breiten Drehzahlbereich
aufrecht zu erhalten, erfordert dieses Verfahren die manuelle Eingabe
von Leistungsverlusten, die nach den Affinitätsgesetzen unberücksichtigt
bleiben.
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Außerdem sind
folgende Geräte
bekannt, die allesamt nicht über
eine zwischen unerwünschten Betriebsbedingungen
differenzierende Logik verfügen,
um die Pumpe auf geeignete Weise entsprechend der jeweiligen Bedingung
ohne die Verwendung traditioneller Sensoren und/oder Hilfsregler
zu regeln.
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US 6,591,697 legt ein Verfahren
zum Bestimmen von Pumpendurchflussmengen durch Messungen des Motordrehmoments
offen, das eine Methodik bereitstellt, die die Beziehung von Drehmoment
und Drehzahl zu Pumpendurchflussmenge und die Möglichkeit erklärt, den
Pumpendurchfluss mit einem Frequenzumrichterantrieb (VFD) zum Anpassen
der Drehzahl der Kreiselpumpe zu regulieren. Dieses Gerät verfügt jedoch
nicht über
die Logik, die für
einen Schutz vor unerwünschten
Betriebsbedingungen sorgen würde.
Um den Durchfluss zu erhalten, verwendet das Gerät kalibrierte Kurven für Drehzahl
gegen Drehmoment, die anwendungsabhängig sind, was die Flexibilität während des
Aufbaus auf der Anlage verringert.
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US 6,464,464B2 ,
dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Patentanmeldung erteilt, legt
ein Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern eines Pumpensystems
offen, das einen Steuer- und Pumpenschutzalgorithmus vorsieht, der
mit Hilfe eines VFD den Durchfluss, den Druck oder die Drehzahl
einer Kreiselpumpe reguliert. Dieses Gerät verlangt jedoch den Einsatz
von Instrumenten, die das Antriebssystem komplexer machen, eine
zusätzliche
mögliche Fehlerquelle
bedeuten und die Kosten unnötig
erhöhen.
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Ein
weiteres bekanntes Gerät,
PMP 25 von Load Controls, Inc. (Sturbridge, MA), sorgt für einen Pumpenschutz
dadurch, dass es die gezogene Stromstärke und die Drehzahl des Motors
beobachtet und den sich ergebenden Leistungswert dann mit verschiedenen
Betriebsbedingungen (z.B. Trockenlauf, Ventil geschlossen) korreliert.
(
US 5,930,092 und
US 5,754,421 .) Das Load
Controls-Produkt eignet sich jedoch nur für Anwendungen bei konstanter Drehzahl
und differenziert in seiner Regelfunktion nicht nach verschiedenen
Bedingungen; Schutzeinstellungen führen lediglich zum „Auslösen" oder Abschalten
des Motors.
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US 6,715,996 B2 legt
ein Verfahren für
den Betrieb einer Kreiselpumpe offen, das eine Methodik vorsieht,
die die Pumpenleistung mit geschlossenem Ventil bei zwei Drehzahlen
abtastet, Wirbelstromverluste bestimmt und eine angepasste Leistung
bei weiteren Frequenzen berechnet, um festzustellen, ob eine Bedingung
besteht, die zu einer Störung
des Motors führen
würde.
Dieses Verfahren schützt
jedoch nur vor Nulldurchfluss, es verfügt nicht über eine Logik, die einen Minimaldurchfluss
(Durchfluss zu niedrig) oder ein Auslaufen (Durchfluss zu hoch) erkennt,
noch kann es zwischen dem Zustand „Keine Abnahme" oder einer Trockenlaufbedingung
unterscheiden.
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WO
2005/064167 A1 legt ein quantitatives Messverfahren offen, das eine
Methodik vorsieht, bei der eine kalibrierte Kurve für Leistung/Differenzdruck gegen
Durchfluss gegen Drehzahl verwendet wird. Die kalibrierten Daten
werden gespeichert und mit aktuellen Werten verglichen, um den Pumpendurchfluss
zu bestimmen. Dieses Verfahren verfügt jedoch nicht über die
Logik, die für
einen Schutz vor unerwünschten
Betriebsbedingungen sorgen würde.
Es verwendet auch im Auswertungsgerät gespeicherte Kalibrierkurven
für Leistung/Δ Druck gegen
Durchfluss bei mehreren Drehzahlen. Um den Durchfluss zu erhalten,
erfordert diese Methode anwendungsabhängige Daten, was die Flexibilität während des
Aufbaus auf der Anlage verringert.
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Ein
Produkt von ABB Industry Oy (Helsinki, Finnland) sieht einen Frequenzumrichterantrieb (VFD)
mit Parametern vor, die es erlauben, den maximalen und den minimalen
Drehmomentwert so zu konfigurieren, dass ein Betrieb des Lastantriebes (Motor)
außerhalb
dieser Parameter verhindert wird. Der ABB-Antrieb sieht jedoch keine
Logik für
das Interpretieren verschiedener Betriebsbedingungen vor noch berücksichtigt
er eine Skalierung von kreiselnd arbeitenden Verbrauchern wie Pumpen
oder mechanische Verluste in kleinen Pumpen bei reduzierter Drehzahl.
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Ein
Frequenzumrichterantriebssystem kann so konfiguriert werden, dass
es mit Hilfe von Strömungs-
oder Druckschaltern unerwünschte
Betriebsbedingungen erkennt. Der Einsatz zusätzlicher Prozessschalter macht
jedoch das Antriebssystem komplexer, bedeutet eine zusätzliche
mögliche
Fehlerquelle und erhöht
die Kosten unnötig.
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Außerdem wurden
in einer Patentierbarkeitsrecherche, die in Bezug auf die vorliegende
Erfindung durchgeführt
wurde, folgende Patente entwickelt. Nachstehend sind sie kurz zusammengefasst:
US
2004/0064292 legt eine Tiefbrunnenkreiselpumpe offen, die zum Aufrechterhalten
eines optimalen Flüssigkeitsstandes
erforderlich ist. Bei ihr wird unter Verwendung von Drehmoment-
und Drehzahldaten die Eingangsleistung in die Pumpe berechnet, Pumpenaffinitätsgesetze
werden verwendet, um die Leistung an die Nenndrehzahl anzupassen,
und ein Nenndurchfluss wird auf der Basis publizierter Pumpendaten
bestimmt. Sie verwendet Daten aus den Affinitätsgesetzen und publizierte
Leistungsdaten, um die Förderhöhe, den
Wirkungsgrad und die als Minimum geforderte Ansaughöhe der Pumpe
zu bestimmen. Der genaue Rechenweg wird nicht dargestellt; er wird
nur als Durchfluss in Abhängigkeit
von der Leistung und der Förderhöhe gezeigt,
und Wirkungsgrad und Ansaughöhe
werden in Abhängigkeit
vom Durchfluss gezeigt. Das Verfahren berechnet einfach die Leistung,
passt sie entsprechend der Nenndrehzahl an und bestimmt den Durchfluss
aus veröffentlichten
Leistungsdaten auf der Basis der Affinitätsgesetze. Obwohl bei den Pumpenherstellern
weit verbreitet, sind Affinitätskorrekturen
des Pumpenleistungsverhaltens nicht immer genau.
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US
2004/0064292 legt zwar ein Regelsystem für Kreiselpumpen offen, doch
wird dort kein Abstimm- oder Kalibrierverfahren vorgestellt. Dieses Verfahren
würde die
Verwendung von Testdaten der betreffenden Pumpe erfordern, oder
es würde
die Gefahr bestehen, dass ein wesentlicher Fehler eingeführt wird.
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US 6,709,241 , das dem Rechtsnachfolger der
vorliegenden Erfindung erteilt wurde, legt ein Verfahren offen,
das vier Sensoren und zusätzlich
die Eingabe tatsächlicher
Leistungsdaten bei mehreren Drehzahlen in den Frequenzumrichterantrieb
erfordert. Es verwendet einen Durchflusssensor (externer Durchflussmesser),
um den tatsächlichen
Durchfluss mit einem Schwellenwert für den Minimaldurchfluss zu
vergleichen, es kann aber nicht zwischen minimalem Durchfluss, Zustand
mit geschlossenem Ventil, Trockenlauf- oder Auslaufbedingung unterscheiden.
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US
2005/0123408 legt einen Selbstkalibriervorgang offen, um die Mindestdrehzahl
zu bestimmen, für
die der Pumpendruck um einen Teilungsschritt gestiegen ist. Er dient
nicht zum Kalibrieren von Leistung. Der Trockenlaufschutz beruht
auf dem Vergleich eines tatsächlichen
Strömungswertes
mit einem Durchflussströmungswert.
Der Schwellenwert beruht auf einer Betriebsdrehzahl.
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US 4,468,219 und
US 4,795,314 und US US2002/0141875
legen peristaltische Pumpen oder Verdrängerpumpen offen, deren Verhalten
sich hinsichtlich des Drehmoments und der Drehzahl von demjenigen
kreiselnd arbeitender Verbraucher stark unterscheidet.
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US 6,783,328 und US 2002/0150476
legen Verfahren offen, die Sensoren erfordern, um Durchfluss oder
Druck zu überwachen
mit dem Ziel, einen Sollwert mit einem Schwellenwert zu vergleichen. Wird
er überschritten,
so wird die Drehzahl verringert, um den Sollwert unter den Schwellenwert
zu senken.
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US 4,650,633 legt ein Verfahren
offen, das den Durchfluss zur Pumpe drosselt, um Kavitation zu verhindern,
und auf Sensoren beruht, die Temperatur und Druck der Flüssigkeit
am Pumpeneintritt erfassen.
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Bei
Würdigung
des oben diskutierten bekannten Standes der Technik wird deutlich,
dass in der Industrie Bedarf nach einem Verfahren besteht, das Kreiselpumpen
ohne den Einsatz traditioneller Sensoren Schutz bietet, das zwischen
gefährlichen Betriebsbedingungen
(z.B. Trockenlauf, Minimaldurchfluss und Auslaufen) und/oder Bedingungen unterscheiden
kann, bei denen vorübergehende
Bedingungen (z.B. Betrieb mit geschlossenem Ventil) auftreten können und
der Schutz aufgehoben werden kann, sobald die Bedingung beseitigt
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein neues und einzigartiges Verfahren
und Vorrichtungen für den
Pumpenschutz ohne den Einsatz traditioneller Sensoren vor durch
das Berechnen eines Durchflusswertes zum Vergleich mit einem Durchflussschwellenwert
aus einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit
geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, Motorsignalen
für Drehzahl
und Leistung (oder Drehmoment) und zusätzlich wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten
wie etwa optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil
und optimaler Durchfluss bei der Pumpennenndrehzahl.
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Der
zum Vergleich mit einem Durchflussschwellenwert berechnete Durchflusseingangswert kann
auch einem der zahlreichen Verfahren zum Berechnen des Durchflusses
unter Verwendung von Daten der Pumpenaffinitätsgesetze und Durchflusskalibrierkurven
bei verschiedenen Drehzahlen, die in einem Auswertungsgerät gespeichert
sind, und Pumpen- und Motorsignalen wie etwa Drehzahl und Leistung
(oder Drehmoment) oder Drehzahl und Leistung/Differenzdruck entnommen
werden.
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Zum
Verfahren zum Beeinflussen des Betriebes der Pumpe gehört das Vergleichen
eines tatsächlichen
Durchflusswertes und eines korrigierten Durchflussschwellenwertes,
der auf der Basis der Drehzahl der Pumpe korrigiert wird, um den
Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen. Die Reaktion auf den Betrieb
der Pumpe kann aufgrund des Vergleichs angepasst werden.
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Die
Korrektur des Durchflussschwellenwertes beruht auf einer Beziehung
zwischen einer tatsächlichen
Pumpendrehzahl und einer Pumpennenndrehzahl.
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Der
korrigierte Durchflussschwellenwert kann einen Auslaufbedingungswert
(Durchfluss zu hoch), einen Minimaldurchflusswert (Durchfluss zu niedrig)
oder eine Kombination daraus enthalten, und das Verfahren kann den
Vergleich eines korrigierten Auslaufschwellenwertes mit einem tatsächlichen Auslaufdurchflusswert
enthalten, um eine Auslaufbedingung der Pumpe festzustellen.
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Das
Verfahren kann auch den Vergleich eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes mit
einem tatsächlichen
Minimaldurchflusswert enthalten, um entweder einen Normaldurchfluss
oder einen möglichen
Minimaldurchfluss der Pumpe zu bestimmen, allein oder zusammen mit
Schritten zum Vergleichen eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes
mit einem tatsächlichen
Durchflusswert und eines tatsächlichen
Leistungswertes mit einem Leistungswert mit geschlossenem Ventil
bei der aktuellen Drehzahl der Pumpe, um zu bestimmen, ob die Pumpe
sich im Zustand eines Minimaldurchflusses befindet oder trocken
läuft.
Ausführungsbeispiele können auch
entweder den tatsächlichen
Leistungswert, den Leistungswert mit geschlossenem Ventil oder die
Kombination daraus enthalten, der/die entsprechend der relativen
Dichte des gepumpten Mediums korrigiert wird.
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Der
berechnete Durchflusswert kann also mit Durchflussschwellenwerten
verglichen werden, die mit diesen ungünstigen Betriebsbedingungen
in Beziehung stehen. Die aktuellen Betriebswerte für Drehzahl,
Leistung oder Drehmoment können
mit einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit
geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, und mit
wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten, zum Beispiel optimale
Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und optimaler
Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl, verglichen werden, um den tatsächlichen Durchfluss
zu berechnen, oder können
mit in einem Auswertungsgerät
gespeicherten Kalibrierkurven für Durchfluss
gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Durchfluss gegen Leistung/Differenzdruck
verglichen werden, um den tatsächlichen
Durchflusswert zu bestimmen. Weist die Installation einen Durchflussmesser
auf, so können
seine Werte als direkter Eingang in den Pumpenschutzalgorithmus
verwendet werden. Die Logik kann in einen Frequenzumrichterantrieb oder
eine in speicherprogrammierbare Steuerung eingebettet werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch einen Regler mit einem Modul in
einer Konfiguration zum Realisieren der oben dargestellten Funktionsmerkmale
sowie ein Pumpensystem, das über
einen solchen Regler verfügt,
aufweisen.
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In
einem Ausführungsbeispiel,
offengelegt in US 2004/0064292, beruht der Schutz auf dem gemessenen
Drehmoment und der gemessenen Drehzahl aus dem Antrieb, woraus die
Leistung berechnet wird, und die berechnete Leistung wird mit einer
maximalen Leistungsschwelle verglichen, die entsprechend der Drehzahl
auf der Basis von Affinitätsgesetzen
korrigiert wurde. Im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein ohne Sensor ermittelter Durchflusswert verwendet, der aus
einer kalibrierten Kurve für
Leistung mit geschlossenem Ventil gegen Drehzahl abgeleitet wurde,
um eine genauere, drehzahlkorrigierte Kurve für Leistung gegen Durchfluss zu
erstellen, als es mit Hilfe von Affinitätsgesetzen allein möglich ist.
Der ohne Sensor ermittelte Durchflusswert wird dann mit den Schwellenwerten
für Minimaldurchfluss
und Auslaufdurchfluss verglichen. Auch eine Trockenlaufkontrolle
wird durchgeführt,
indem die kalibrierte Leistung mit geschlossenem Ventil mit der
tatsächlichen
Leistung bei der aktuellen Betriebsdrehzahl und der relativen Dichte
der Flüssigkeit
verglichen wird.
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Die
vorliegende Erfindung sorgt also für den Schutz von Kreiselpumpen
und unterscheidet gleichzeitig zwischen gefährlichen Betriebsbedingungen (z.B.
Trockenlauf, Minimaldurchfluss und Auslaufen) und/oder Bedingungen,
bei denen vorübergehende Bedingungen
(z.B. Betrieb mit geschlossenem Ventil) auftreten können und
der Schutz aufgehoben werden kann, sobald die Bedingung beseitigt
ist. Die Methodik nutzt einen berechneten Durchflusswert, der mit Durchflussschwellenwerten,
die mit diesen ungünstigen
Betriebsbedingungen in Beziehung stehen, verglichen werden kann.
Die aktuellen Betriebswerte für Drehzahl,
Leistung oder Drehmoment können
mit einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit
geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, und zusammen
mit wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten, zum Beispiel
optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und
optimaler Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl, verglichen werden,
um den Durchfluss zu berechnen, oder können mit in einem Auswertungsgerät gespeicherten
Kalibrierkurven für Durchfluss
gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Durchfluss gegen Leistung/Differenzdruck
bei verschiedenen Drehzahlen verglichen werden. Der berechnete Durchflusswert
wird dann mit Durchflussschwellenwerten verglichen, die mit diesen
ungünstigen
Betriebsbedingungen in Beziehung stehen.
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Abschließend ist
es wichtig darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung die
Pumpenleistung gegen die Drehzahl mit geschlossenem Ventil kalibriert
und die publizierte Leistung entsprechend der tatsächlichen
Leistung auf der Basis der Kalibrierkurve anpasst, um Leistung gegen
Durchfluss bei Betriebsdrehzahl genauer als in der US 2004/0064292 offenbart
zu bestimmen.
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KURZE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschema eines einfachen Pumpensystems gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein Fließschema
mit den wesentlichen Schritten, die von dem in 1 gezeigten Regler
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgeführt
werden.
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3 ist
ein Blockschema eines in 1 gezeigten Reglers zum Ausführen der
in 2 gezeigten wesentlichen Schritte.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
das einfache Pumpensystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung
allgemein mit 2 bezeichnet und das einen Regler 4,
einen Motor 6 und eine Pumpe 8 aufweist. Im Betrieb
bestimmt der Regler 4 gemäß der vorliegenden Erfindung
den berechneten Durchflusswert aus einer auf der Anlage kalibrierten
Kurve für
Drehzahl gegen Leistung mit geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert
ist, und Motorsignalen für
Drehzahl und Leistung (oder Drehmoment) und zusätzlich den wesentlichen publizierten
Pumpenleistungsdaten wie etwa optimale Betriebsleistung, Leistung
mit geschlossenem Ventil und optimaler Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl.
Der zum Vergleich mit einem Durchflussschwellenwert berechnete Durchflusseingangswert
kann auch einem der zahlreichen Verfahren zum Berechnen des Durchflusses
unter Verwendung von Daten der Pumpenaffinitätsgesetze und Durchflusskalibrierkurven
bei verschiedenen Drehzahlen, die in einem Auswertungsgerät oder – modul (zum
Beispiel Modul 4a in 3) gespeichert
sind, und Pumpen- und Motorsignalen wie etwa Drehzahl und Leistung
(oder Drehmoment) oder Drehzahl und Leistung/Differenzdruck entnommen
werden. Weist die Installation einen Durchflussmesser auf, so können seine
Werte als direkter Eingang in den Pumpenschutzalgorithmus verwendet
werden.
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Genau
gesagt beeinflusst der Regler 4 den Betrieb der Pumpe 8 mit
einem Modul 4a (siehe 3), das
für den
Vergleich eines tatsächlichen Durchflusswertes
und eines korrigierten Durchflussschwellenwertes konfiguriert ist,
der auf der Basis der Drehzahl der Pumpe 8 korrigiert wird,
um den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen. Der Betrieb der Pumpe 8 kann
angepasst werden auf der Basis des Vergleichs unter Einschluss einer
vom Benutzer einstellbaren, verzögerten
Reaktion auf die Bedingung entweder nur vor einer Warnung, einer
Warnung und einer Senkung der Drehzahl auf eine sichere Betriebsdrehzahl,
einer Störungsschaltung
und Stillsetzung des Motors oder einer automatischen Rücksetzung
des Störzustandes
und einem Neustart der Pumpe und des Motors, um zu prüfen, ob
die Bedingung beseitigt ist. Wenn die Bedingung beseitigt ist, wird
die Anpassung aufgehoben, und die Pumpe nimmt wieder den Normalbetrieb
auf. Die Korrektur beruht auf einer Beziehung zwischen einer tatsächlichen
Pumpendrehzahl und einer Pumpennenndrehzahl entsprechend der nachstehend
beschriebenen.
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Der
korrigierte Durchflussschwellenwert kann einen Auslaufbedingungswert,
einen Minimaldurchflusswert oder eine Kombination daraus enthalten,
und das Modul 4a kann für
den Vergleich eines korrigierten Auslaufschwellenwertes mit einem
tatsächlichen
Auslaufdurchflusswert konfiguriert sein, um eine Auslaufbedingung
der Pumpe 8 festzustellen.
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Das
Modul 4a kann auch für
den Vergleich eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes mit
einem tatsächlichen
Minimaldurchflusswert konfiguriert sein, um entweder einen Normaldurchfluss oder
einen möglichen
Minimaldurchfluss der Pumpe zu bestimmen, allein oder zusammen mit
Schritten zum Vergleichen eines korrigierten Minimaldurchflussschwellenwertes
mit einem tatsächlichen
Durchflusswert und eines tatsächlichen
Leistungswertes mit einem Leistungswert mit geschlossenem Ventil bei
der aktuellen Drehzahl der Pumpe, um zu bestimmen, ob die Pumpe
sich im Zustand eines Minimaldurchflusses befindet oder trocken
läuft.
Ausführungsbeispiele
können
auch entweder den tatsächlichen
Leistungswert, den Leistungswert mit geschlossenem Ventil oder die
Kombination daraus enthalten, der/die entsprechend der relativen
Dichte des gepumpten Mediums korrigiert wird.
-
Der
berechnete Durchflusswert kann also mit Durchflussschwellenwerten
verglichen werden, die mit diesen ungünstigen Betriebsbedingungen
in Beziehung stehen. Die aktuellen Betriebswerte für Drehzahl,
Leistung oder Drehmoment können
mit einer auf der Anlage kalibrierten Kurve für Drehzahl gegen Leistung mit
geschlossenem Ventil, die im Auswertungsgerät gespeichert ist, und zusammen
mit wesentlichen publizierten Pumpenleistungsdaten, zum Beispiel
optimale Betriebsleistung, Leistung mit geschlossenem Ventil und
optimaler Durchfluss bei Pumpennenndrehzahl, verglichen werden,
um den Durchfluss zu berechnen, oder können mit in einem Auswertungsgerät oder in
Modul 4a gespeicherten Kalibrierkurven für Durchfluss
gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Durchfluss gegen Leistung/Differenzdruck
bei verschiedenen Drehzahlen verglichen werden, um den tatsächlichen
Durchflusswert zu bestimmen. Weist die Installation einen Durchflussmesser
(nicht gezeigt) auf, so können
seine Werte als direkter Eingang in den im Regler 4 realisierten
Pumpenschutzalgorithmus verwendet werden. Die Steuerlogik kann in
einen Regler wie 4a eingebettet werden, der, wie gezeigt,
als Frequenzumrichterantrieb (VFD) oder speicherprogrammierbare
Steuerung (PLC) ausgeführt
sein kann.
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Motor 6 und
Pumpe 8 sind in der Technik bekannt und werden hier nicht
detailliert beschrieben. Außerdem
ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf irgendeinen
bestimmten Typ oder eine Art davon zu beschränken, der/die entweder jetzt
bekannt ist oder in der Zukunft entwickelt wird. Weiterhin soll
der Umfang der Erfindung auch die Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung in Bezug auf die Regelung des Betriebes einer Kreiselpumpe,
eines Kreiselmischers, eines Radialgebläses oder eines Radialverdichters
enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung besteht also aus einer Steuerlogik und kann
mit ihr realisiert werden, die das direkte Rückführsignal der Leistung (oder
des Drehmoments) und der Drehzahl aus dem Motor 6 und der
Pumpe 8 zum Berechnen eines Durchflusswertes verwendet,
um unerwünschte
Betriebsbedingungen zu erkennen und die geeignete Reaktion im Betrieb
herbeizuführen
mit dem Ziel, die angetriebene Maschine (Kreiselpumpe) vor Schaden
zu schützen.
Der berechnete Durchflusswert wird dann mit Durchflussschwellenwerten
verglichen, die mit diesen ungünstigen
Betriebsbedingungen in Beziehung stehen. Alternativ dazu können die
aktuellen Betriebswerte für
Drehzahl, Leistung oder Drehmoment mit kalibrierten Kurven für Durchfluss
gegen Leistung (oder Drehmoment) oder Leistung/Differenzdruck, die
in einem Auswertungsgerät
gespeichert sind, verglichen werden, um den tatsächlichen Durchflusswert zu
bestimmen. Alternativ dazu können,
falls die Installation einen Durchflussmesser aufweist, seine Werte
als direkter Eingang in den Pumpenschutzalgorithmus verwendet werden.
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2:
Steuerlogik
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2 zeigt
beispielhaft ein Fließschema, das
allgemein mit 10 bezeichnet wird und die wesentlichen Schritte
12 bis 18 des Pumpenschutzalgorithmus oder der Steuerlogik aufweist,
der/die vom Regler 4 gemäß der vorliegenden Erfindung
realisiert werden kann. Der Pumpenschutzalgorithmus oder die Steuerlogik kann
in den Frequenzumrichterantrieb oder in die speicherprogrammierbare
Steuerung wie diejenige eingebettet werden, die oben in Bezug auf
den Regler 4 in 1 gezeigt wird. Viele derzeit verfügbare VFD-Systeme
erzeugen genaue mathematische Modelle der angetriebenen Motoren,
um eine präzise
Regelung über
Drehzahl und Drehmoment herbeizuführen. Liegen diese Informationen vor,
so kann die Schutzlogik gemäß der vorliegenden Erfindung
wie folgt realisiert werden:
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Eingänge können sein:
- – Minimale
Drehzahl
- – Maximale
Drehzahl
- – Nenndrehzahl
- – Minimale
Durchflussschwelle bei Nenndrehzahl (Durchfluss zu gering)
- – Auslaufschwellenwert
des Durchflusses bei Nenndrehzahl (Durchfluss zu hoch)
- – KDR – ein
Koeffizient, multipliziert mit der Leistung mit geschlossenem Ventil
bei aktueller Betriebsdrehzahl, der zum Feststellen einer Trockenlaufbedingung
verwendet werden kann.
- – Schutzverzögerung – ein Zeitverzug
in Sekunden, bis eine Schutzbedingung erklärt wird.
-
Auf
der Basis der aktuellen Betriebsdrehzahl werden die Schwellenwerte
des Minimal- und des Auslaufdurchflusses wie folgt korrigiert:
- – QMIN_COR = QMIN X
(NACT/NRATED)
- – QRO_COR = QRO X (NACT/NRATED)
wobei
QMIN_COR der um die Drehzahl korrigierte Minimaldurchfluss
ist
QRO_COR der um die Drehzahl korrigierte
Auslaufdurchfluss ist
NACT die tatsächliche
Drehzahl ist
NRATED die Nenndrehzahl
ist.
-
Nachdem
eine Bedingung erklärt
worden ist, führt
die Logik abhängig
von den Einstellungen folgende Aktionen herbei:
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Auslaufbedingung 13
-
- – Eine
AUSLAUF-Schutzbedingung 13 wird erklärt, wenn der tatsächliche
Durchfluss höher
ist als die um die Drehzahl korrigierte AUSLAUF-Durchflusseinstellung.
- – Die
Reaktion des Antriebes besteht darin, den Benutzer zu warnen, ohne
weitere Aktionen zu beginnen. Eine Schutzverzögerungszeit vor der Erklärung einer
AUSLAUF-Bedingung
kann eingestellt werden. Wenn die Auslaufbedingung beseitigt ist,
wird die AUSLAUF-Warnung aufgehoben.
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Minimaldurchflussbedingung
17
-
Eine
MINIMALDURCHFLUSS-Schutzbedingung 17 wird erklärt, wenn der tatsächliche
Durchfluss niedriger als die um die Drehzahl korrigierte MINIMAL-Durchflusseinstellung
ist und PACT größer als KDR X PSO_N ist, wobei
- – KDR ein Trockenlaufkoeffizient ist,
- – PACT die um eine relative Dichte = 1 korrigierte tatsächliche
Leistung ist und
- – PSO_N die Leistung mit geschlossenem Ventil
bei der aktuellen Drehzahl, korrigiert um eine relative Dichte =
1, ist. PSO_N wird aus einer in einem Auswertungsgerät gespeicherten
Kurve für
Leistung mit geschlossenem Ventil gegen Drehzahl interpoliert. Alternativ
dazu kann PSO_N nach den Affinitätsgesetzen
wie folgt berechnet werden: PSO_N = Pso(rated
speed) x (N actual speed/N rated speed)KSO wobei
KSO meist 3,0 ist. Bei Pumpen mit niedriger Leistung kann an KDR
eine Korrektur vorgenommen werden, um Ungenauigkeiten in PSO_N auszugleichen, falls das Affinitätsberechnungsverfahren
angewandt wird. Dann KDR corr = KDR X (N actual speed/N rated speed)0,5, und die Gleichung in 2 wird
Pact <KDR corr
x PSO_N.
- – Die
Reaktion des Antriebs kann so eingestellt werden, dass entweder
der Benutzer gewarnt wird, ohne weitere Aktionen zu beginnen, der
Benutzer gewarnt wird und die Drehzahl auf einen sicheren Minimalwert
reduziert wird (Alarm und Regeleingriff), oder eine Störung gemeldet
und die Einheit stillgesetzt wird. Eine Schutzverzögerungszeit
vor der Erklärung
einer MINIMALDURCHFLUSS-Bedingung kann eingestellt werden. Der Antrieb
kann auch so eingestellt werden, dass eine Alarm- und Regelbedingung
oder eine Störung
automatisch zurückgesetzt
wird, um zu prüfen,
ob die vorübergehende
Bedingung beseitigt ist. Die Zahl der Rücksetzungen und die Zeit zwischen
ihnen kann der Benutzer einstellen. Nachdem die Zahl der Rücksetzungen
erreicht ist, bleibt, falls die Bedingung nicht beseitigt ist, die Einheit
abgeschaltet, bis sie vom Benutzer manuell wieder gestartet wird.
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Trockenlaufbedingung 18
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Eine
TROCKENLAUF-Schutzbedingung 18 wird erklärt, wenn PACT kleiner
als KDR X PSO_N ist.
- – Die Reaktion des Antriebs
kann so eingestellt werden, dass entweder der Benutzer ohne eine weitere
Aktion gewarnt wird oder ein Störzustand gemeldet
und die Einheit stillgesetzt wird. Eine Schutzverzögerungszeit
vor der Erklärung
einer TROCKENLAUF-Bedingung kann eingestellt werden. Der Antrieb
kann nicht so eingestellt werden, dass eine Störungsbedingung automatisch
zurückgesetzt
wird. Nachdem die Einheit in den Störzustand übergegangen ist, bleibt sie
abgeschaltet, bis sie vom Benutzer wieder gestartet wird.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung
berücksichtigt,
dass die gesamte Funktionalität
vom Benutzer wahlweise unwirksam gemacht wird.
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3:
Regler 4
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3 zeigt
die wesentlichen Module 4a und 4b des Reglers 4.
Viele unterschiedliche Typen und Arten von Reglern und Regelmodulen
zum Regeln von Pumpen sind in der Technik bekannt. Ein Fachmann,
der mit solchen Reglern und Regelmodulen vertraut ist, wäre in der
Lage, ein Regelmodul wie etwa 4a zu realisieren und so
zu konfigurieren, dass es die Funktionalität entsprechend der hier beschriebenen
erfüllt,
das heißt
einen tatsächlichen
Durchflusswert und einen korrigierten Durchflussschwellenwert, der
auf der Basis der Pumpendrehzahl korrigiert ist, vergleicht, um
den Betriebszustand der Pumpe zu bestimmen, sowie die anderen wesentlichen
Schritte der vorliegenden Erfindung realisiert, etwa wie in 2 gezeigt
und oben beschrieben, gemäß der vorliegenden
Erfindung. Beispielhaft kann die Funktionalität des Moduls 4a durch
Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination daraus realisiert
werden, doch ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf
ein irgendein bestimmtes Ausführungsbeispiel
davon zu beschränken.
In einer typischen Softwarerealisierung wäre ein solches Modul eine oder
mehr Architekturen auf Mikroprozessorbasis mit einem Mikroprozessor,
einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), Eingabe-/Ausgabegeräten und
Steuerung sowie Daten- und Adressbussen zu ihrer Verbindung. Ein
Fachmann wäre
in der Lage, ohne übermäßiges Experimentieren
eine solche Realisierung auf Mikroprozessorbasis zu programmieren,
damit die hier beschriebene Funktionalität erfüllt wird. Es ist nicht beabsichtigt,
den Umfang der Erfindung auf irgendeine bestimmte Realisierung unter
Einsatz einer bekannten oder in der Zukunft entwickelten Technik
zu beschränken.
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Der
Regler weist weitere Regelmodule 4b auf, die in der Technik
bekannt sind, die nicht Teil der zugrundeliegenden Erfindung sind
und die hier nicht detailliert beschrieben werden.
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WEITERE EINSATZMÖGLICHKEITEN
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- 1. Pumpenlastwächter: Pumpenlastwächter stützen sich
auf eine genaue Modellierung der Pumpenleistungskurve, um die Minimaldurchfluss- und
Abschaltbedingungen zu erkennen. Während die meisten Lastwächter nur
die Leistung bei einer Drehzahl überwachen,
würde diese
Logik genauer arbeitende Lastwächter
im drehzahlveränderlichen
Betrieb erlauben.
- 2. Pumpenschutzalgorithmen: Sensorlose Durchflussmessungen können einen
zuverlässigen
Hinweis auf die Betriebsbedingungen liefern: Auslaufbedingungen
(Durchfluss zu hoch), Betrieb unter dem Minimaldurchfluss der Pumpe
(Durchfluss zu niedrig) oder Betrieb gegen ein geschlossenes Auslassventil.
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Es
sollte klar sein, dass, wenn hier nichts anderes gesagt wird, jedes)
der Merkmale, Kennzeichen, Alternativen oder Modifikationen, die
in Bezug auf ein bestimmtes, hier genanntes Ausführungsbeispiel beschrieben
werden, auch mit jedem anderen hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
angewendet, eingesetzt oder darin einbezogen werden kann. Außerdem sind
die Zeichnungen in diesem Dokument nicht maßstabsgerecht.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsbeispiele davon beschrieben
und illustriert worden ist, können
die vorgenannten oder verschiedene andere Zusätze und Auslassungen daran
vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und vom Umfang der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.